光子再生型倍增有机光电探测器：实现高增益与低暗电流的双功能探测新策略

《Research》：A Novel Dual-Functional Photomultiplication-Type Organic Photodetector with Photon-Regeneration Gain by Integrated Organic Light-Emitting Diodes

本研究针对传统倍增型有机光电探测器(PM-OPD)高增益与高暗电流并存的技术难题，创新性地提出了一种集成有机发光二极管(OLED)的光子再生倍增型有机光电探测器(PRM-OPD)。该器件通过"光子-电子-光子"正反馈循环机制，在保持低暗电流密度(Jd≈10?8A/cm2)的同时，实现了高达2,484%的外量子效率(EQE)，并具备光斑形态直接可视化功能，为高性能有机光电子器件的发展提供了新思路。

　　

在环境检测、生物科学和夜视成像等领域，对弱光信号的精准探测一直是科研人员追求的目标。传统的光电探测器虽然不断发展，但有机光电探测器(OPD)因其可调节光学带隙、机械柔性和低成本等优势而备受关注。然而，随着光电探测系统向高清晰度、高分辨率和小型化发展，单个光敏像素接收的光子数量急剧减少，导致对弱光信号的检测灵敏度不足。特别是传统的倍增型有机光电探测器(PM-OPD)，虽然通过界面陷阱辅助电荷隧穿注入机制可以实现较高的外量子效率(EQE)，但不可避免地会产生较大的暗电流，这严重制约了其在弱光探测中的应用。

面对这一挑战，研究人员独辟蹊径，从光子再生的全新角度出发，设计了一种双功能光子再生倍增型有机光电探测器(PRM-OPD)。这种创新器件巧妙地将有机光电探测器单元与有机发光二极管(OLED)单元集成在一起，建立了一个独特的"光子-电子-光子"正反馈循环系统。当外界光子被探测器单元吸收后，产生的空穴会驱动OLED单元发射出新的光子，这些新光子又会被探测器单元重新吸收，产生更多的光生载流子，从而实现光电流的倍增效应。

为了验证这一创新理念，研究团队主要采用了真空热蒸发技术制备器件功能层，通过精确控制各有机材料层的厚度和沉积速率来优化器件性能。利用紫外-可见分光光度计进行吸收光谱表征，采用锁相放大技术测量外量子效率谱，并利用低噪声电流放大器测试器件的暗电流特性。特别重要的是，研究人员通过瞬态光电流响应测试与电致发光强度监测的同步进行，直接验证了光子再生机制的工作过程。

研究结果显示，优化后的PRM-OPD器件表现卓越。在器件结构与性能优化方面，通过调节OLED单元的效率、减少空穴传输层厚度以及优化光敏层中给体材料TAPC的浓度，最终制备的PRM-5器件在7.5V偏压下实现了2,484%的峰值EQE和6.64×10^?8A/cm²的低暗电流密度。相应的探测率(D*)达到6.62×10¹³Jones，显示出优异的弱光探测能力。

在工作机制验证方面，瞬态光电流响应测试清晰地揭示了器件工作的两个阶段：初始的快速响应阶段和随后的慢速增长阶段，这与理论预测的T₀和T阶段完全吻合。电致发光强度与光电流之间的线性关系进一步证实了光子再生反馈机制的存在。通过定量分析，研究人员计算出器件中两个发光层的光子吸收比例分别为α₁≈0.57和α₂≈0.38，反馈周期T为21-103μs，这些参数与OLED单元的开启时间和光电转换效率密切相关。

在双功能应用展示方面，研究团队制备了面积为280mm²的大面积器件，成功实现了对光斑数量和形状的直接可视化检测。不同数量的圆形光斑在器件表面清晰可辨，产生的光电流与光斑数量呈良好的线性关系，证明了器件在光斑形态检测方面的独特能力。

在光谱扩展方面，通过引入光学谐振微腔结构，研究人员成功将器件的响应光谱扩展至近红外区域。制备的PRM-6器件在780nm处实现了499%的EQE，是传统微腔器件的166倍，同时保持了低于2×10^?8A/cm²的暗电流密度，展现出在近红外窄带探测方面的应用潜力。

本研究通过创新的光子再生机制，成功解决了传统PM-OPD中高增益与高暗电流并存的技术难题。PRM-OPD不仅实现了高达2,484%的EQE和极低的暗电流密度，还具备光斑形态直接可视化的双功能探测能力。更重要的是，这种增益机制不依赖于陷阱态的引入，降低了器件结构设计和制备的难度。通过微腔结构的集成，进一步将高性能探测扩展至近红外区域，为有机光电子器件在环境检测、生物成像和光学通信等领域的应用开辟了新的可能性。这种基于光子再生的增益设计策略为开发高性能、多功能的有机光电探测器提供了全新的技术路径。